形狀記憶合金ShapeMemoryAlloys形狀記憶合金ShapeMemoryAlloys一、形狀記憶合金概述形狀記憶效應：具有一定形狀（初始形狀）的固體材料在某一低溫狀態(tài)下進行一定限度的塑性變形后（另一形狀）通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料完全恢復到變形前的初始形狀2一、形狀記憶合金概述形狀記憶效應：具有一定形狀（初始形狀）的原始形狀拉直加熱后恢復形狀記憶效應實驗3原始形狀拉直加熱后恢復形狀記憶效應實驗3形狀記憶效應示意圖4形狀記憶效應示意圖4形狀記憶合金：具有形狀記憶效應的合金5形狀記憶合金：具有形狀記憶效應的合金5采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風為熱源，開放溫度為65~85℃，閉合溫度為室溫——花蕾直徑80mm，展開直徑200mm。6采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風為熱源，開放溫度為6形狀記憶合金發(fā)展歷史1938年，美國哈佛大學格里奈哥和穆拉迪安發(fā)現(xiàn)Cu-Zn合金在加熱與冷卻的過程中，馬氏體會隨之收縮與長大1948年，前蘇聯(lián)學者庫爾久莫夫預測到某些具有馬氏體相變的合金會出現(xiàn)熱彈性馬氏體相變1951年，美國的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應隨后，在In-Ti合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應7形狀記憶合金發(fā)展歷史1938年，美國哈佛大學格里奈哥和穆拉迪1963年，美國海軍武器試驗室的Buehler博士等發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金具有形狀記憶效應1970年，人們又在成本更為低廉的CuAlNi中也發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能夠產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性1975年左右，F(xiàn)eMnSi及有些不銹鋼也有形狀記憶功能，并在工業(yè)中得到應用1975年至1980年左右，雙程形狀記憶效應、全程形狀記憶效應相繼被發(fā)現(xiàn)81963年，美國海軍武器試驗室的Buehler博士等發(fā)現(xiàn)Ni合金成分Ms點/℃合金成分Ms點/℃AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuCd46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/180形狀記憶合金的成分范圍和Ms點9合金成分Ms點/℃合金成分Ms點/℃AgCd11-49at%形狀記憶效應分類單程形狀記憶效應：只能記住高溫時形狀的現(xiàn)象雙程形狀記憶效應（可逆形狀記憶效應）：加熱時恢復高溫時的形狀，冷卻時恢復低溫時的形狀——當溫度在高溫和低溫之間往返變化時，材料自行在兩種形狀之間變換。10形狀記憶效應分類單程形狀記憶效應：只能記住高溫時形狀的現(xiàn)象—1111全程形狀記憶效應：不僅具有雙程形狀記憶效應，而且在反復變溫過程中，總是遵循相同的形狀變化規(guī)律，即記憶了中間過程——這種形狀變化大于所有可逆形狀記憶效應，而且高溫形狀和低溫形狀是完全可以倒置的?！且环N特殊的雙程形狀記憶效應，只能在富鎳的Ni-Ti合金中出現(xiàn)。12全程形狀記憶效應：不僅具有雙程形狀記憶效應，而且在反復變溫過1313二、形狀記憶效應的原理馬氏體相變：1.熱彈性馬氏體相變原子無擴散位移（切變），即原子沿相界面作協(xié)作運動，使其形狀改變和表面浮凸呈現(xiàn)不變平面應變特征、形核-長大型的一級相變14二、形狀記憶效應的原理馬氏體相變：1.熱彈性馬氏體相變原子馬氏體相變示意圖15馬氏體相變示意圖15把馬氏體相變開始和相變結束的溫度分別表示為Ms和Mf把馬氏體逆相變（轉變成奧氏體）開始和結束的溫度分別表示為As和Af16把馬氏體相變開始和相變結束的溫度分別表示為Ms和Mf16發(fā)生馬氏體相變的必要條件：M相的自由能必須低于A相——需過冷到適當?shù)陀赥0的溫度Ms馬氏體逆相變也需要驅動力：必須過熱到適當高于T0的溫度As——T0和Ms之差稱為過冷度：鋼鐵馬氏體相變?yōu)?00℃左右；形狀記憶合金為5~30℃。相變驅動力：過冷度——Ms和As之間的溫度差稱為熱滯后。17發(fā)生馬氏體相變的必要條件：M相的自由能必須低于A相——需過冷相變驅動力18相變驅動力18根據(jù)其轉變特點可將馬氏體相變分為：馬氏體相變分類非熱彈性馬氏體相變（A類）：熱滯后大熱彈性馬氏體相變（B類）：熱滯后非常小19根據(jù)其轉變特點可將馬氏體相變分為：馬氏體相變分類非熱彈性馬氏2020A類轉變：兩類馬氏體相變特點在Ms以下馬氏體瞬間形核、瞬間長大隨溫度下降，馬氏體數(shù)量增加是靠新核心形成和長大實現(xiàn)的加熱時，馬氏體在達到As之前已經(jīng)分解，如Fe-C合金，因而不發(fā)生逆轉變21A類轉變：兩類馬氏體相變特點在Ms以下馬氏體瞬間形核、瞬間長B類轉變：在Ms以下升降溫時馬氏體數(shù)量減少或增加是通過馬氏體片縮小或長大來完成的母相與馬氏體相界面可逆向光滑移動，這種轉變是可逆的逆轉變完成后，不留下任何痕跡，得到方位上和以前完全相同的母相22B類轉變：在Ms以下升降溫時馬氏體數(shù)量減少或增加是通過馬氏體非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體23非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體23相變時熱滯后小，反映了相變驅動力小，界面的共格性好，使界面容易移動：熱彈性平衡在低于Ms溫度下，馬氏體片形成以后，界面上的彈性變形隨著馬氏體片長大而增大長大到一定程度，彈性變形能及共格界面能等的增加與相變自由能的減少相等，馬氏體停止長大——這稱為熱彈性平衡狀態(tài)。24相變時熱滯后小，反映了相變驅動力小，界面的共格性好，使界面容熱彈性馬氏體箭狀形貌的明場像25熱彈性馬氏體箭狀形貌的明場像25溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅動力增加，馬氏體又繼續(xù)長大，也可能出現(xiàn)新的馬氏體長大溫度升高，相變驅動力減小，馬氏體出現(xiàn)收縮，故稱為熱彈性馬氏體——相變?yōu)闊釓椥择R氏體相變。形狀記憶合金馬氏體數(shù)量隨溫度的變化26溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅動力增加，馬氏體又繼續(xù)長大，也可能CuAlNi合金奧氏體基體中馬氏體箭隨冷卻和加熱而生長和退縮27CuAlNi合金奧氏體基體中馬氏體箭隨冷卻和加熱而生長和退縮馬氏體相變是通過無擴散的切變模式完成的，其亞結構為孿晶形狀記憶效應要求相變時體積變化小，這樣才能降低應變能：2.熱彈性馬氏體相變機制形狀記憶合金相變時圍繞母相的一個特定位向常形成四種自適應的馬氏體變體這四種變體以母相的慣習面呈對稱排列，合稱為一個馬氏體群28馬氏體相變是通過無擴散的切變模式完成的，其亞結構為孿晶2.2929當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應變場，隨變體的長大，應變能不斷增加馬氏體的自適應形成——變體的長大越來越困難。為降低應變能，已形成的變體周圍會形成新變體——新變體的應變方向與已形成的變體的應變場互相抵消或部分抵消。由四種變體組成的片群的總應變幾乎為零——這就是馬氏體相變的自適應現(xiàn)象——有均勻體積變化，無明顯形狀改變。30當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應變場，隨變體的長大對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力，在較小的應力作用下，馬氏體變體以其應變方向與外加應力相適應而再取向，即：馬氏體的再取向變體的應變方向與外加應力方向最接近的變體通過吞并其它與外加應力不相適應的變體而長大直至整個樣品內(nèi)的各個不同取向的變體最終轉變成一個變體31對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力，在較小的應力作用下，馬氏這時，由母相轉變?yōu)轳R氏體所產(chǎn)生的相變應變不再互相抵消，而是沿外加應力方向累積起來——樣品顯示出宏觀形狀的變化。卸去應力后，變形保持下來32這時，由母相轉變?yōu)轳R氏體所產(chǎn)生的相變應變不再互相抵消，而是沿3333將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性也就是在相變中形成的各個馬氏體變體和母相的特定位向的點陣存在嚴格的對應關系因此逆相變時，只能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復到原狀形狀記憶效應的基本原理34將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性形狀記憶形狀記憶過程中晶體結構的變化35形狀記憶過程中晶體結構的變化35一些學者曾根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征，提出產(chǎn)生形狀記憶效應的條件是：馬氏體相變是熱彈性類型的馬氏體相變通過孿生切變完成，而不是通過滑移產(chǎn)生母相和馬氏體均為有序結構36一些學者曾根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征，提出產(chǎn)生形狀記憶效應馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生：3.形狀記憶合金的相變超彈性——這種不通過加熱即恢復到原先形狀的相變，看起來像彈性變形，但其應力應變曲線是非線性的，因此稱為相變偽彈性或相變超彈性。在高于Ms的某一溫度Md以下對合金施加外力引起馬氏體相變，所形成的馬氏體稱應力誘發(fā)馬氏體應力除去后，馬氏體當即逆轉變?yōu)樵摐囟认碌姆€(wěn)定母相，恢復母相原來的形狀，應變消失37馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生：3.形狀記憶合金的相變超彈性———超彈性合金的彈性變形量可達百分之幾到20%。38——超彈性合金的彈性變形量可達百分之幾到20%。38AB段代表奧氏體相的純粹彈性變形B點為應力誘發(fā)馬氏體的最小應力，C點相變結束BC段代表奧氏體向馬氏體轉變后應變增加——其斜率遠小于AB段，說明相變?nèi)菀走M行CD段表示相變結束后在應力作用下馬氏體發(fā)生彈性變形在D點，馬氏體開始屈服并發(fā)生塑性變形直到E點斷裂39AB段代表奧氏體相的純粹彈性變形39在D點之前應力被取消，例如在點C'，對應的應變?yōu)閏，則通過幾步應變可恢復：首先發(fā)生馬氏體的彈性恢復，如C'F段所表示F點對應的是卸載過程中應力誘發(fā)馬氏體能夠存在的最大應力，在該點開始發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆相變FG段表示馬氏體向奧氏體轉換后引起的應變恢復GH段表示奧氏體的彈性恢復40在D點之前應力被取消，例如在點C'，對應的應變?yōu)閏，則通過超彈性不僅出現(xiàn)于受應力作用的母相，也出現(xiàn)于Ms以下受應力作用的馬氏體應力去除后，誘發(fā)的不穩(wěn)定馬氏體逆轉變?yōu)樵瓉淼鸟R氏體而顯示出超彈性因應力誘發(fā)出具有其它結構不穩(wěn)定的馬氏體——二者本質是相同的，區(qū)別只是變形溫度與最初狀態(tài)（馬氏體還是母相）不同。41超彈性不僅出現(xiàn)于受應力作用的母相，也出現(xiàn)于Ms以下受應力作用三、常用形狀記憶合金材料具有形狀記憶效應的基本合金系有10種以上，但實用化的只有Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類42三、常用形狀記憶合金材料具有形狀記憶效應的基本合金系有10種TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料1.Ti-Ni形狀記憶合金記憶效應優(yōu)良強度高、塑性大耐腐蝕性好、穩(wěn)定性好抗疲勞，耐磨損生物相容性好但制造過程較復雜、價格高昂43TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合——具有形狀記憶效應的NiTi合金的成分就在近等原子比的范圍內(nèi)。（1）Ti-Ni記憶合金的基本相和相變44——具有形狀記憶效應的NiTi合金的成分就在近等原子比的范圍屬于體心立方晶體CsCl結構的母相2結構是棱面體點陣的R相（適當?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件下出現(xiàn)）屬于單斜晶體的馬氏體結構基本相——TiNi相注意：實用成分的TiNi合金在固溶處理后，如果隨后的冷卻不夠快，就會產(chǎn)生Ti2Ni和TiNi3——由于這兩種相不具有可逆性，因而破壞了形狀記憶效果，需要盡量避免該類相的產(chǎn)生。45屬于體心立方晶體CsCl結構的母相2基本相——TiNi相注Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應的兩種相變過程母相?馬氏體：記憶效應由單一相變貢獻母相?R相?馬氏體（加鐵、時效）：記憶效應由兩個相變階段貢獻依成分和預處理條件的不同：——R相變和M相變均為形狀記憶的來源。46Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應的兩種相變過程母相?馬氏體：記NiTi合金相變過程的電阻-溫度曲線47NiTi合金相變過程的電阻-溫度曲線47（2）影響相變溫度的因素成分：最敏感因素之一，Ni含量每增加0.1%，相變溫度降低10℃第三元素：Fe、Al、Cr、Co、Mn、V、Nb、Ce等可降低Ms；Au、Pt、Pd、Zr等可升高Ms雜質元素：C、H、O等降低Ms時效溫度、時效時間明顯影響相變溫度48（2）影響相變溫度的因素成分：最敏感因素之一，Ni含量每增加（3）合金制備由高純電解鎳與海綿鈦作原料，采用高頻感應爐與自耗爐（電弧熔煉法）或等離子體與電弧熔煉法獲得了TiNi合金鑄錠隨后，在700~800℃進行熱加工，包括模鍛、擠壓及軋制絲狀產(chǎn)品可通過冷拔，每次加工率小于20%——為消除加工硬化，冷加工期間可在700~800℃進行多次退火。49（3）合金制備由高純電解鎳與海綿鈦作原料，采用高頻感應爐與自為把形狀記憶合金用做元件，需使它記住給定形狀，為此要進行一定的熱處理：形狀記憶處理（4）形狀記憶處理——形狀記憶處理是實現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺、至關重要的一環(huán)。50為把形狀記憶合金用做元件，需使它記住給定形狀，為此要進行一定1）單程形狀記憶處理中溫處理：——此方法由于工藝簡單而被廣泛采用。將加工后的合金材料在室溫加工成所需要的形狀并加以固定隨后在400~500℃保溫幾分鐘到幾小時以記憶其形狀再空冷511）單程形狀記憶處理中溫處理：——此方法由于工藝簡單而被廣泛低溫處理（用于冷加工后成形困難的材料）：——此種在較低溫度處理的記憶元件其形狀恢復特性較差?？梢栽?00℃以上進行高溫退火然后在室溫下成形成給定形狀隨后于200~300℃保溫幾分鐘到幾十分鐘以記憶其形狀52低溫處理（用于冷加工后成形困難的材料）：——此種在較低溫度處時效處理（只對Ni含量高于50.5at%的富Ni合金有效）——可以調(diào)節(jié)材料的相變溫度：隨著時效溫度的提高或時效時間的延長，相變溫度Ms相應下降?！梢垣@得綜合的記憶性能：此時的時效處理就是定形記憶過程。在800~1000℃溫度下固溶處理后進行淬火然后在400~500℃時效處理幾小時53時效處理（只對Ni含量高于50.5at%的富Ni合金有效）—2）雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的應力場或晶體缺陷相變時，馬氏體容易在這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長542）雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的首先經(jīng)單程記憶處理獲得單程記憶效應，此時僅可記憶高溫相的形狀隨后在低于Ms溫度，根據(jù)需要的形狀進行一定限度的可恢復變形（變形量應大于10%）然后加熱到Af以上，試樣恢復到高溫態(tài)形狀再降溫到Ms以下，再變形試件使之成為低溫所需要的形狀如此反復多次以后，就可獲得雙向記憶效應記憶訓練（又稱鍛煉）55首先經(jīng)單程記憶處理獲得單程記憶效應，此時僅可記憶高溫相的形狀3）全程記憶處理全程記憶效應是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應力所導致應力場控制了R相變和馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體相變與逆轉變按固定“路徑”進行——因此全程記憶處理的關鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時效工藝。563）全程記憶處理全程記憶效應是由于與基體共格的Ti11Ni1——時效時間越長，自發(fā)形變就越難以發(fā)生。57——時效時間越長，自發(fā)形變就越難以發(fā)生。57銅基合金制造加工容易，價格僅為TiNi合金的1/10，研究最多的是CuAlNi合金和CuZnAl合金2.Cu基形狀記憶合金——因此，在性能要求不高、反復使用次數(shù)少，特別是要求降低成本的情況下使用Cu基合金。但銅基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學性能等比TiNi合金差其母相均為體心立方結構，特稱之為相合金銅基合金只有熱彈性馬氏體相變，比較單純58銅基合金制造加工容易，價格僅為TiNi合金的1/10，研究最銅基合金的形狀記憶效應明顯低于Ti-Ni合金，形狀記憶穩(wěn)定性差，表現(xiàn)出記憶性能衰退現(xiàn)象這種衰退可能是由于馬氏體轉變過程中產(chǎn)生范性協(xié)調(diào)和局部馬氏體變體產(chǎn)生“穩(wěn)定化”所致逆相變加熱溫度越高、所加載荷越大，衰退速率越快Cu基形狀記憶合金記憶性能衰退現(xiàn)象59銅基合金的形狀記憶效應明顯低于Ti-Ni合金，形狀記憶穩(wěn)定性加入適量稀土和Ti、Mn、V、B等元素（細化晶粒，提高滑移形變抗力）微晶銅基形狀記憶合金（采用粉末冶金和快速凝固法等）改善銅基合金的循環(huán)特性方法60加入適量稀土和Ti、Mn、V、B等元素（細化晶粒，提高滑移形合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復應變最大8%最大4%恢復應力最大400MPa最大200MPa循環(huán)壽命105（

=0.02）107（

=0.005）102（

=0.02）103（

=0.005）耐蝕性良好不良，有應力腐蝕破壞加工性不良不太好記憶處理較易相當難TiNi合金與CuZnAl合金性能對比61合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復應變最大8%最大4%鐵基形狀記憶合金發(fā)展較晚，早期的FePt和FePd合金由于價格昂貴未能得到應用1982年，有關Fe-Mn-Si記憶合金的研究論文的發(fā)表，引起了材料研究工作者極大興趣，目前主要有Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金近年來，對鐵基形狀記憶合金的研究主要集中在以Fe-Mn-Si合金上3.鐵基形狀記憶合金62鐵基形狀記憶合金發(fā)展較晚，早期的FePt和FePd合金由于價——Fe-Mn-Si等鐵基形狀記憶合金的結構是無序的，并不呈現(xiàn)熱彈性馬氏體相變的特征。與TiNi合金和銅基合金相比，F(xiàn)e基合金價格低、加工性能好、力學強度高但其形狀記憶效應不是很好：Fe-Ni-Co-Ti合金，預變形超過2%后形狀記憶效應下降到40%以下63——Fe-Mn-Si等鐵基形狀記憶合金的結構是無序的，并不呈4.形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金并不是無論承受怎樣的變形只要受熱就都可以回到原狀，有時可殘留永久變形為了保持良好的形狀記憶特性，有必要使變形應變量不超過一定值適宜的應變量決定于熱處理、循環(huán)使用次數(shù)、載荷、元件的形狀和尺寸等許多因素：當循環(huán)使用次數(shù)少時，TiNi合金變形量約為6%，CuZnAl合金約為2%當循環(huán)使用次數(shù)多時分別低于2%和0.5%644.形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金并不是無論承受怎形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達到比Af點高很多的溫度線圈過熱，相變引起的形狀恢復應力超過絲材本身的屈服應力與變形應變過大時的情況相同，合金的形狀記憶特性變壞65形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達合金長時間置于高溫時，會產(chǎn)生不完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，不能回到正確的原始形狀——即記憶力減退。當TiNi合金和CuZnAl合金分別長時間置于250℃和90℃以上的溫度時不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響66合金長時間置于高溫時，會產(chǎn)生不完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，不四、形狀記憶合金的應用1.工業(yè)應用（1）連接件和緊固件在密閉的中空結構件中，很難進行緊固操作形狀記憶緊固鉚釘依靠三維形狀恢復可以進行這種操作67四、形狀記憶合金的應用1.工業(yè)應用（1）連接件和緊固件在密Af點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，用尾部形狀記憶處理成開口形狀在進行緊固操作前，把緊固鉚釘浸泡在干冰或液態(tài)空氣中進行充分冷卻然后把尾部拉直，插入被緊固孔經(jīng)過一段時間，溫度回升到室溫，產(chǎn)生形狀恢復——鉚釘尾部叉開，把物體固緊68Af點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，用尾部形狀記憶處理成開6969采用相變點比室穩(wěn)低得多、約150℃的TiNiFe合金做管接頭，把內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4%連接操作時，先把管接頭浸泡在液態(tài)氮氣中，在低溫保溫狀態(tài)下把錐形芯模壓入管接頭內(nèi)壁——使內(nèi)徑擴大約7~8%。擴徑后的管接頭用保溫材料保持低溫，把被接管從管接頭兩側插入去掉保溫材料，管接頭溫度上升到室溫，內(nèi)徑恢復到擴徑前狀態(tài)，牢牢箍緊被接管70采用相變點比室穩(wěn)低得多、約150℃的TiNiFe合金做管接形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)點夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷適于不易焊接的接頭——如：嚴禁明火的管道連接、海底輸油管道修補、金屬與塑料等不同材料的連接等。由于不需要熔焊那樣的高溫高熱，故不會損害周圍材料安裝時不需要熟練的技術，連接件在低溫下易拆卸，便于進行檢修71形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)點夾緊力大，接觸密封可靠，避形狀記憶合金管接頭72形狀記憶合金管接頭72——這種管接頭在F-14戰(zhàn)斗機上使用了10萬多個，至今未發(fā)生漏油或破損、脫落等事故。F-14戰(zhàn)斗機73——這種管接頭在F-14戰(zhàn)斗機上使用了10萬多個，至今未發(fā)生這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可應用150mm大口徑管接頭在海底輸油管道的修補工程上得到應用74這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可應用74（2）航天領域天線用NiTi合金制做人造衛(wèi)星天線75（2）航天領域天線用NiTi合金制做人造衛(wèi)星天線75宇航天線可由TiNi合金絲制成，將天線冷至低溫，使其轉變?yōu)轳R氏體TiNi合金的馬氏體硬度較低，將TiNi合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線被彈出，在陽光照射下，溫度升高到As以上，團狀天線自動張開，恢復到原來的形狀溫度升高到Af溫度以上則完全恢復到原來的形狀，向宇宙空間撐開76宇航天線可由TiNi合金絲制成，將天線冷至低溫，使其轉變?yōu)轳R1969年7月20日，阿波羅11號登月艙在月球著陸——所用的直徑數(shù)米大的天線就是用當時剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。771969年7月20日，阿波羅11號登月艙在月球著陸——所用的（3）智能結構形狀記憶合金可制成驅動器、控制器等應用在智能機器人中形狀記憶控制器能使機器人微型化同傳統(tǒng)伺服控制機構相比，一個形狀記憶元件就可同時起到傳感、驅動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用78（3）智能結構形狀記憶合金可制成驅動器、控制器等應用在智能機靠形狀記憶合金動作的微型機器人結構圖（具有相當于肩、肘、腕、指等的5維自由度的微型機器人試制品）79靠形狀記憶合金動作的微型機器人結構圖79（4）能量轉換熱機形狀記憶合金能撐起自重100倍以上的重量馬達的驅動力可達自重的50倍而螞蟻和人則分別是20倍和2倍80（4）能量轉換熱機形狀記憶合金能撐起自重100倍以上的重量88181在Af點以下溫度把重W的重物掛在形狀記憶絲上，絲材伸長到絲材屈服力和重物重力達到平衡然后把絲材加熱到Af點以上，溫度上升使合金產(chǎn)生形狀恢復，形狀恢復力大于重物重力——絲材在保留彈性應變的狀態(tài)下收縮L，提起重物做了WgL的功。重物被提上去后降低溫度使絲材伸長再升高溫度把重物提上去，實現(xiàn)熱機循環(huán)82在Af點以下溫度把重W的重物掛在形狀記憶絲上，絲材伸長到絲材1973年，美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用冷熱水的溫差使NiTi形狀記憶元件伸縮，并伴隨極大的應力，使輪子轉動，實現(xiàn)熱能與機械能之間的轉換831973年，美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用冷熱水的溫差其裝置是一個水平放置的輪子，輪輻是偏心結構，每根輪輻上掛有用Ti-Ni合金制成的U形環(huán)輪子下的水槽制成兩個半圓，分別裝入冷熱水當U型環(huán)進入熱水槽時，就突然伸直，產(chǎn)生彈力——這種彈力有一部分沿輪子的切線作用，推動輪子旋轉。當輪輻轉入冷水槽內(nèi)時，伸直的合金絲又恢復彎曲形狀84其裝置是一個水平放置的輪子，輪輻是偏心結構，每根輪輻上掛有用（5）保險器和繼電器形狀記憶合金溫度保險器85（5）保險器和繼電器形狀記憶合金溫度保險器852.醫(yī)學應用（1）牙科領域矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進行矯正，牙齒矯形用金屬絲有不銹鋼絲和CoCr合金絲：這些材料具有彈性模量高、彈性應變小的缺點用微小變形可獲得很大矯正力——對患者造成疼痛和不適，同時還容易產(chǎn)生塑性變形為了給出適宜的矯正力，最初就要加工成弓形——操作比較復雜862.醫(yī)學應用（1）牙科領域矯治牙頜畸形，通常利用金屬絲材進利用TiNi形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒定——即便應變增大，矯正力卻增加很少。應力誘發(fā)馬氏體相變使彈性模量呈現(xiàn)非線性特性——即使應變高達10%也不會產(chǎn)生塑性變形，永久應變遠遠小于不銹鋼絲。87利用TiNi形狀記憶合金的超彈性使得在加載和卸載過程中壓力恒TiNi合金牙齒矯形絲88TiNi合金牙齒矯形絲88（2）矯形外科采用形脊柱人造關節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)的骨融合形脊柱人造關節(jié)——這種關節(jié)成形術提高了病人功能恢復的程度，最大程度上減小了進一步的惡化，減輕了痛苦，同時避免了并發(fā)癥的發(fā)生。89（2）矯形外科采用形脊柱人造關節(jié)可在頸椎治療中替代傳統(tǒng)的骨先在低溫下將形器的弓形臂展平并置于頸椎椎體的中間部位由于體溫的影響，形器的臂部恢復原狀，從而保持了頸椎高度90先在低溫下將形器的弓形臂展平90脊柱側彎矯形用哈倫頓棒脊柱側彎病癥不僅身心受到劇烈痛苦，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以必須進行外科矯形手術91脊柱側彎矯形用哈倫頓棒脊柱側彎病癥不僅身心受到劇烈痛苦，而且不銹鋼矯形棒安裝固定后使脊柱受到的矯正力在30~40kg以下即使安放的矯正力達到30~40kg，固定后20min后矯正力就下降20%之多，再過10~15天下降到最初固定力的30%目前常用的不銹鋼哈倫頓棒的缺點——這時必須再進行手術，調(diào)整矯形力，使患者在精神和肉體上受到極大的痛苦。有時脊柱會受到更大的力，會破壞固定器——結果不僅是脊柱，連神經(jīng)也有受到損傷的危險92不銹鋼矯形棒安裝固定后使脊柱受到的矯正力在30~40kg以下如果用形狀記憶合金做哈倫頓棒，只要進行一次安放固定手術就行，不需要第二次手術：將NiTi合金矯形棒先在低溫下彎折，使其變形為弓形或S形，其曲率與脊柱相吻合然后固定在椎板的棘突上在溫生理鹽水作用下，NiTi合金矯形棒恢復到原來形狀——此時產(chǎn)生較大的恢復力來推動脊杠進行矯正，達到治療目的。93如果用形狀記憶合金做哈倫頓棒，只要進行一次安放固定手術就行，最大特點是在體內(nèi)始終有一個較大的彎曲力矩作用在脊柱上，使畸形得到矯正療效高，矯形后角度丟失較小無骨折、無神經(jīng)損傷等嚴重并發(fā)癥術后不用牽引，也不用石膏固定NiTi記憶合金哈倫頓棒優(yōu)點94最大特點是在體內(nèi)始終有一個較大的彎曲力矩作用在脊柱上，使畸形（3）NiTi合金聚髕器治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設計了一種用于治療髕骨骨折的NiTi合金聚髕器——現(xiàn)已成功用于臨床治療之中。95（3）NiTi合金聚髕器治療粉碎性髕骨骨折比較困難，我國設計聚髕器由功能爪和功能腰組成，它從多個方向產(chǎn)生恢復力作用于髕骨向心、主動、持續(xù)縱向加壓，將粉碎的髕骨聚合于解剖位置至骨性愈合96聚髕器由功能爪和功能腰組成，它從多個方向產(chǎn)生恢復力作用于髕骨NiTi合金聚髕器應用示意圖97NiTi合金聚髕器應用示意圖97臨床應用中，通常在低溫下將爪漸漸展開，以減少爪和連接腰形成曲率——從而使得爪間距稍大于髕骨的縱向直徑。骨折復位后，爪的自由端固定在髕骨周圍用熱生理鹽水升溫，聚髕器的形狀恢復，髕骨周圍產(chǎn)生的會聚壓力抵消了股四頭肌的張力——在關節(jié)運動時，骨折部位可得到穩(wěn)固的保護。聚髕器作用在骨折碎片的壓力將它們牢牢聚合在一起，加快骨折的愈合98臨床應用中，通常在低溫下將爪漸漸展開，以減少爪和連接腰形成曲操作簡單，省時省力，暴露的切口較常規(guī)膝部內(nèi)弧形切口小有些病例在局麻下即可完成手術，這對于有心血管疾病或糖尿病的高齡老人尤為適宜在固定效果上，不但術中易達到髕關節(jié)面的解剖復位，而且術后能有效地將其維持，固定于解剖位直至骨折愈合術后處理簡單，絕大多數(shù)病例無需石膏固定功能恢復既快又好NiTi合金聚髕器在臨床使用中的特點99操作簡單，省時省力，暴露的切口較常規(guī)膝部內(nèi)弧形切口小NiTi（4）接骨用騎縫釘連接碎骨，治療骨折，有時要使用起絆緊作用的U字形騎縫釘現(xiàn)用騎縫釘插進后使骨骼不分離，只起固定作用但經(jīng)不住身體運動所產(chǎn)生的剪切力，有時固定力在人體活動過程中甚至減半100（4）接骨用騎縫釘連接碎骨，治療骨折，有時要使用起絆緊作用的形狀記憶加壓騎縫釘——用形狀記憶加壓U形釘對治療近關節(jié)骨折具有獨特優(yōu)勢。101形狀記憶加壓騎縫釘——用形狀記憶加壓U形釘對治療近關節(jié)骨折具先在低溫將加壓部分伸展開，減少波形曲率，增加長度，同時增大夾角至90度以延長兩爪間跨距骨折復位后，將U形釘插入鉆好的孔中，用熱紗布對手術部位進行熱敷，使其升溫U形釘恢復到原始形狀，產(chǎn)生的恢復力將骨折碎片牢牢固定，從而對骨折部分施加恒定的壓力即使關節(jié)部位運動產(chǎn)生壓力或張力時，U形釘也能牢牢地壓縮在骨折部位102先在低溫將加壓部分伸展開，減少波形曲率，增加長度，同時增大夾（5）形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器在長管狀骨骨折的治療中，除了需要牢固地固定還要求其能夠有效地抗彎曲、抗剪切、抗扭轉同時保持軸向壓縮力——以促進骨折愈合及骨的重塑——形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器具有固定抓緊功能，特別適用于治療十分困難的假體周圍骨折或髓內(nèi)釘周圍骨折。103（5）形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器在長管狀骨骨折的治療中，除了形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器104形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器104根據(jù)X光片選擇合適長度的環(huán)抱器，鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器的內(nèi)徑應比患者的骨直徑小約10~20%將環(huán)抱器消毒后，置于0~5℃的消毒冰鹽水中，用撐開鉗逐漸均勻地撐開各鋸齒背——使每對鋸齒臂之間的距離略大于骨干直徑。自冰鹽水中取出已撐開的環(huán)抱器，迅速正確置入已整復好的骨折段，使骨折部位于環(huán)抱器中部用熱鹽水沖洗環(huán)抱器及各鋸齒臂，環(huán)抱器迅速恢復原狀，鋸齒臂閉合，抱緊患骨105根據(jù)X光片選擇合適長度的環(huán)抱器，鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器的內(nèi)徑應比各種尺寸的形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器106各種尺寸的形狀記憶鋸齒臂環(huán)抱內(nèi)固定器106（6）人工心臟用人造肌肉當心臟出現(xiàn)毛病，不可能手術治療時，不得不依賴于心臟移植或人工心臟人工心臟傳統(tǒng)驅動源主要采用利用氣壓的隔膜泵和吸入泵可以用形狀記憶合金制造人工心臟用人造肌肉，用以充當人造心臟的驅動源107（6）人工心臟用人造肌肉當心臟出現(xiàn)毛病，不可能手術治療時，不108108把直徑0.5mm的TiNi合金絲記憶處理成正弦曲線形狀，貼在彈性質（乙烯基醋酸脂橡膠）人工心室外壁上制成人工心臟用收縮性人造肌肉以6根TiNi絲構成一個驅動節(jié)，以平行或串并聯(lián)形式貼在心室壁上用作收縮驅動器TiNi絲采用脈沖通電加熱方式，冷卻依靠自然降溫利用形狀記憶效應，通過TiNi絲的伸縮來實現(xiàn)心臟的收縮109把直徑0.5mm的TiNi合金絲記憶處理成正弦曲線形狀，貼在（7）血栓過濾器在心臟、下肢和骨盤靜脈中形成的血栓被剝離后通過血管游動到肺時便發(fā)生肺栓塞通常必須通過服用抗凝劑或外科切除術進行治療——但這兩種治療法都有危險，特別是內(nèi)出血時用抗凝劑不能止血。美國用TiNi合金絲試制了用來阻止游動于腔靜脈中的凝血塊的過濾器110（7）血栓過濾器在心臟、下肢和骨盤靜脈中形成的血栓被剝離后通血栓過濾器111血栓過濾器111把TiNi絲記憶處理成能阻止凝血塊的羅網(wǎng)形狀然后在低溫下拉直，通過導管插入腔靜脈進入腔靜脈的TiNi絲被體溫加熱變成原先復雜的羅網(wǎng)形狀而成為血栓過濾器，阻止凝血塊游動112把TiNi絲記憶處理成能阻止凝血塊的羅網(wǎng)形狀112（8）NiTi合金支架理想的冠狀動脈內(nèi)支架應具有X射線下可視性、柔軟性、穩(wěn)定性、非致血栓性等特征冠狀動脈內(nèi)支架NiTi合金支架在X射線下清晰可見，植入時具有低的變形模量，膨脹后具有高的變形模量由于應力誘發(fā)馬氏體的形成，支架大變形卸載后僅產(chǎn)生很小的永久變形，甚至不變形形狀恢復后NiTi合金支架直徑比管腔大，加強對血管壁的支撐作用113（8）NiTi合金支架理想的冠狀動脈內(nèi)支架應具有X射線下可視冠狀動脈支架植入示意圖114冠狀動脈支架植入示意圖114食管、賁門支架癌癥或化學性損傷造成食管、賁門部位狹窄、手術后吻合口狹窄、放療后引起的食管狹窄及十二指腸及幽門狹窄形狀記憶合金食管網(wǎng)格支架在人體溫下能自擴展成原來形狀產(chǎn)生持續(xù)柔和的徑向擴張力，作用在食管內(nèi)壁上，使狹窄部位恢復通暢——將造成病人吞咽困難，威脅生命。115食管、賁門支架癌癥或化學性損傷造成食管、賁門部位狹窄、手術后——內(nèi)支架在體溫下，具有良好的超彈性，整體性好，縱向順應性好，能隨正常食管蠕動而起伏，使食管既保持通暢，又無不舒適感。形狀記憶合金食管網(wǎng)格116——內(nèi)支架在體溫下，具有良好的超彈性，整體性好，縱向順應性好（9）多點注射器多點注射器由超彈性的NiTi合金管制成，用于對腫瘤部位的多點藥物治療117（9）多點注射器多點注射器由超彈性的NiTi合金管制成，用于將彎曲的NiTi合金管束縛到導入針管中，輸送到腫瘤部位加溫后推出多點注射器通入藥物進行治療118將彎曲的NiTi合金管束縛到導入針管中，輸送到腫瘤部位1183.日常生活（1）空調(diào)百葉板為了提高制冷和取暖兩方面的效率，在幾乎所有冷熱兩用空調(diào)機排氣口上都裝有百葉板以便風向在制冷時向上、取暖時向下。1193.日常生活（1）空調(diào)百葉板為了提高制冷和取暖兩方面的效率——在高溫和低溫時，形狀記憶合金彈簧由于發(fā)生相變，母相與馬氏體強度不同，使元件向左、右不同方向運動。形狀記憶合金自控元件原理120——在高溫和低溫時，形狀記憶合金彈簧由于發(fā)生相變，母相與馬氏利用形狀記憶元件的傳感和驅動雙重功能，制造上下自動轉換的百葉板安裝在排氣口上的形狀記憶線圈隨排氣溫度變化收縮或張開和另一側的偏動彈簧一起完成雙程動作，自動控制百葉板上下運動121利用形狀記憶元件的傳感和驅動雙重功能，制造上下自動轉換的百葉（2）自動干燥箱122（2）自動干燥箱122干燥劑長期吸濕后吸濕能力下降，需要加熱排水形狀記憶元件用干燥劑加熱器作驅動源，可以完成內(nèi)外閘門的自動開閉加熱干燥劑時關閉內(nèi)閘門，打開與排氣相通的外閘門，排除水分停止加熱后關閉外閘門，打開內(nèi)閘門，讓干燥劑繼續(xù)吸濕123干燥劑長期吸濕后吸濕能力下降，需要加熱排水123（3）形狀記憶路燈法國巴黎用形狀記憶合金制造的城市照明燈，有兩瓣隨著燈的亮滅而逐漸張開或合上的葉片白天，路燈熄滅，葉片合上，傍晚之后，葉片受燈泡熱度的作用而逐漸張開，讓燈泡顯露出來124（3）形狀記憶路燈法國巴黎用形狀記憶合金制造的城市照明燈，有寫在最后成功的基礎在于好的學習習慣Thefoundationofsuccessliesingoodhabits125寫在最后成功的基礎在于好的學習習慣125結束語當你盡了自己的最大努力時，失敗也是偉大的，所以不要放棄，堅持就是正確的。WhenYouDoYourBest,FailureIsGreat,SoDon'TGiveUp,StickToTheEnd演講人：XXXXXX時間：XX年XX月XX日

126結束語126形狀記憶合金ShapeMemoryAlloys形狀記憶合金ShapeMemoryAlloys一、形狀記憶合金概述形狀記憶效應：具有一定形狀（初始形狀）的固體材料在某一低溫狀態(tài)下進行一定限度的塑性變形后（另一形狀）通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料完全恢復到變形前的初始形狀128一、形狀記憶合金概述形狀記憶效應：具有一定形狀（初始形狀）的原始形狀拉直加熱后恢復形狀記憶效應實驗129原始形狀拉直加熱后恢復形狀記憶效應實驗3形狀記憶效應示意圖130形狀記憶效應示意圖4形狀記憶合金：具有形狀記憶效應的合金131形狀記憶合金：具有形狀記憶效應的合金5采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風為熱源，開放溫度為65~85℃，閉合溫度為室溫——花蕾直徑80mm，展開直徑200mm。132采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風為熱源，開放溫度為6形狀記憶合金發(fā)展歷史1938年，美國哈佛大學格里奈哥和穆拉迪安發(fā)現(xiàn)Cu-Zn合金在加熱與冷卻的過程中，馬氏體會隨之收縮與長大1948年，前蘇聯(lián)學者庫爾久莫夫預測到某些具有馬氏體相變的合金會出現(xiàn)熱彈性馬氏體相變1951年，美國的Read等人在Au-Cd合金的研究中首次發(fā)現(xiàn)該合金具有形狀記憶效應隨后，在In-Ti合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應133形狀記憶合金發(fā)展歷史1938年，美國哈佛大學格里奈哥和穆拉迪1963年，美國海軍武器試驗室的Buehler博士等發(fā)現(xiàn)Ni-Ti合金具有形狀記憶效應1970年，人們又在成本更為低廉的CuAlNi中也發(fā)現(xiàn)具有形狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是能夠產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金所共有的特性1975年左右，F(xiàn)eMnSi及有些不銹鋼也有形狀記憶功能，并在工業(yè)中得到應用1975年至1980年左右，雙程形狀記憶效應、全程形狀記憶效應相繼被發(fā)現(xiàn)1341963年，美國海軍武器試驗室的Buehler博士等發(fā)現(xiàn)Ni合金成分Ms點/℃合金成分Ms點/℃AgCd11-49at%Cd-190/-50InTi18-23at%Ti50/100AuCd46.5-50at%Cd30/100NiAl36-38at%Al-100/100CuAlNi14-14.5at%Al,3-4.5at%Ni-140/100TiNi49-51at%Ni-50/100CuAuZn23-28at%Au45-47at%Zn-150/100FePt25at%Pt/-130CuSn15at%Sn-120/30FePd30at%Pd/-100CuZn38.5-41.5at%-180/-10MoCu5-35at%Cu-250/180形狀記憶合金的成分范圍和Ms點135合金成分Ms點/℃合金成分Ms點/℃AgCd11-49at%形狀記憶效應分類單程形狀記憶效應：只能記住高溫時形狀的現(xiàn)象雙程形狀記憶效應（可逆形狀記憶效應）：加熱時恢復高溫時的形狀，冷卻時恢復低溫時的形狀——當溫度在高溫和低溫之間往返變化時，材料自行在兩種形狀之間變換。136形狀記憶效應分類單程形狀記憶效應：只能記住高溫時形狀的現(xiàn)象—13711全程形狀記憶效應：不僅具有雙程形狀記憶效應，而且在反復變溫過程中，總是遵循相同的形狀變化規(guī)律，即記憶了中間過程——這種形狀變化大于所有可逆形狀記憶效應，而且高溫形狀和低溫形狀是完全可以倒置的?！且环N特殊的雙程形狀記憶效應，只能在富鎳的Ni-Ti合金中出現(xiàn)。138全程形狀記憶效應：不僅具有雙程形狀記憶效應，而且在反復變溫過13913二、形狀記憶效應的原理馬氏體相變：1.熱彈性馬氏體相變原子無擴散位移（切變），即原子沿相界面作協(xié)作運動，使其形狀改變和表面浮凸呈現(xiàn)不變平面應變特征、形核-長大型的一級相變140二、形狀記憶效應的原理馬氏體相變：1.熱彈性馬氏體相變原子馬氏體相變示意圖141馬氏體相變示意圖15把馬氏體相變開始和相變結束的溫度分別表示為Ms和Mf把馬氏體逆相變（轉變成奧氏體）開始和結束的溫度分別表示為As和Af142把馬氏體相變開始和相變結束的溫度分別表示為Ms和Mf16發(fā)生馬氏體相變的必要條件：M相的自由能必須低于A相——需過冷到適當?shù)陀赥0的溫度Ms馬氏體逆相變也需要驅動力：必須過熱到適當高于T0的溫度As——T0和Ms之差稱為過冷度：鋼鐵馬氏體相變?yōu)?00℃左右；形狀記憶合金為5~30℃。相變驅動力：過冷度——Ms和As之間的溫度差稱為熱滯后。143發(fā)生馬氏體相變的必要條件：M相的自由能必須低于A相——需過冷相變驅動力144相變驅動力18根據(jù)其轉變特點可將馬氏體相變分為：馬氏體相變分類非熱彈性馬氏體相變（A類）：熱滯后大熱彈性馬氏體相變（B類）：熱滯后非常小145根據(jù)其轉變特點可將馬氏體相變分為：馬氏體相變分類非熱彈性馬氏14620A類轉變：兩類馬氏體相變特點在Ms以下馬氏體瞬間形核、瞬間長大隨溫度下降，馬氏體數(shù)量增加是靠新核心形成和長大實現(xiàn)的加熱時，馬氏體在達到As之前已經(jīng)分解，如Fe-C合金，因而不發(fā)生逆轉變147A類轉變：兩類馬氏體相變特點在Ms以下馬氏體瞬間形核、瞬間長B類轉變：在Ms以下升降溫時馬氏體數(shù)量減少或增加是通過馬氏體片縮小或長大來完成的母相與馬氏體相界面可逆向光滑移動，這種轉變是可逆的逆轉變完成后，不留下任何痕跡，得到方位上和以前完全相同的母相148B類轉變：在Ms以下升降溫時馬氏體數(shù)量減少或增加是通過馬氏體非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體149非熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體23相變時熱滯后小，反映了相變驅動力小，界面的共格性好，使界面容易移動：熱彈性平衡在低于Ms溫度下，馬氏體片形成以后，界面上的彈性變形隨著馬氏體片長大而增大長大到一定程度，彈性變形能及共格界面能等的增加與相變自由能的減少相等，馬氏體停止長大——這稱為熱彈性平衡狀態(tài)。150相變時熱滯后小，反映了相變驅動力小，界面的共格性好，使界面容熱彈性馬氏體箭狀形貌的明場像151熱彈性馬氏體箭狀形貌的明場像25溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅動力增加，馬氏體又繼續(xù)長大，也可能出現(xiàn)新的馬氏體長大溫度升高，相變驅動力減小，馬氏體出現(xiàn)收縮，故稱為熱彈性馬氏體——相變?yōu)闊釓椥择R氏體相變。形狀記憶合金馬氏體數(shù)量隨溫度的變化152溫度繼續(xù)下降，馬氏體相變驅動力增加，馬氏體又繼續(xù)長大，也可能CuAlNi合金奧氏體基體中馬氏體箭隨冷卻和加熱而生長和退縮153CuAlNi合金奧氏體基體中馬氏體箭隨冷卻和加熱而生長和退縮馬氏體相變是通過無擴散的切變模式完成的，其亞結構為孿晶形狀記憶效應要求相變時體積變化小，這樣才能降低應變能：2.熱彈性馬氏體相變機制形狀記憶合金相變時圍繞母相的一個特定位向常形成四種自適應的馬氏體變體這四種變體以母相的慣習面呈對稱排列，合稱為一個馬氏體群154馬氏體相變是通過無擴散的切變模式完成的，其亞結構為孿晶2.15529當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應變場，隨變體的長大，應變能不斷增加馬氏體的自適應形成——變體的長大越來越困難。為降低應變能，已形成的變體周圍會形成新變體——新變體的應變方向與已形成的變體的應變場互相抵消或部分抵消。由四種變體組成的片群的總應變幾乎為零——這就是馬氏體相變的自適應現(xiàn)象——有均勻體積變化，無明顯形狀改變。156當某一變體在母相中形成時，產(chǎn)生某一方向的應變場，隨變體的長大對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力，在較小的應力作用下，馬氏體變體以其應變方向與外加應力相適應而再取向，即：馬氏體的再取向變體的應變方向與外加應力方向最接近的變體通過吞并其它與外加應力不相適應的變體而長大直至整個樣品內(nèi)的各個不同取向的變體最終轉變成一個變體157對組織為自適應馬氏體的樣品施加外力，在較小的應力作用下，馬氏這時，由母相轉變?yōu)轳R氏體所產(chǎn)生的相變應變不再互相抵消，而是沿外加應力方向累積起來——樣品顯示出宏觀形狀的變化。卸去應力后，變形保持下來158這時，由母相轉變?yōu)轳R氏體所產(chǎn)生的相變應變不再互相抵消，而是沿15933將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性也就是在相變中形成的各個馬氏體變體和母相的特定位向的點陣存在嚴格的對應關系因此逆相變時，只能回到原有的母相狀態(tài)，這樣也就回復到原狀形狀記憶效應的基本原理160將其加熱到Af以上，由于熱彈性馬氏體在晶體學上可逆性形狀記憶形狀記憶過程中晶體結構的變化161形狀記憶過程中晶體結構的變化35一些學者曾根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征，提出產(chǎn)生形狀記憶效應的條件是：馬氏體相變是熱彈性類型的馬氏體相變通過孿生切變完成，而不是通過滑移產(chǎn)生母相和馬氏體均為有序結構162一些學者曾根據(jù)早期的形狀記憶材料的特征，提出產(chǎn)生形狀記憶效應馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生：3.形狀記憶合金的相變超彈性——這種不通過加熱即恢復到原先形狀的相變，看起來像彈性變形，但其應力應變曲線是非線性的，因此稱為相變偽彈性或相變超彈性。在高于Ms的某一溫度Md以下對合金施加外力引起馬氏體相變，所形成的馬氏體稱應力誘發(fā)馬氏體應力除去后，馬氏體當即逆轉變?yōu)樵摐囟认碌姆€(wěn)定母相，恢復母相原來的形狀，應變消失163馬氏體還可由應力誘發(fā)產(chǎn)生：3.形狀記憶合金的相變超彈性———超彈性合金的彈性變形量可達百分之幾到20%。164——超彈性合金的彈性變形量可達百分之幾到20%。38AB段代表奧氏體相的純粹彈性變形B點為應力誘發(fā)馬氏體的最小應力，C點相變結束BC段代表奧氏體向馬氏體轉變后應變增加——其斜率遠小于AB段，說明相變?nèi)菀走M行CD段表示相變結束后在應力作用下馬氏體發(fā)生彈性變形在D點，馬氏體開始屈服并發(fā)生塑性變形直到E點斷裂165AB段代表奧氏體相的純粹彈性變形39在D點之前應力被取消，例如在點C'，對應的應變?yōu)閏，則通過幾步應變可恢復：首先發(fā)生馬氏體的彈性恢復，如C'F段所表示F點對應的是卸載過程中應力誘發(fā)馬氏體能夠存在的最大應力，在該點開始發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆相變FG段表示馬氏體向奧氏體轉換后引起的應變恢復GH段表示奧氏體的彈性恢復166在D點之前應力被取消，例如在點C'，對應的應變?yōu)閏，則通過超彈性不僅出現(xiàn)于受應力作用的母相，也出現(xiàn)于Ms以下受應力作用的馬氏體應力去除后，誘發(fā)的不穩(wěn)定馬氏體逆轉變?yōu)樵瓉淼鸟R氏體而顯示出超彈性因應力誘發(fā)出具有其它結構不穩(wěn)定的馬氏體——二者本質是相同的，區(qū)別只是變形溫度與最初狀態(tài)（馬氏體還是母相）不同。167超彈性不僅出現(xiàn)于受應力作用的母相，也出現(xiàn)于Ms以下受應力作用三、常用形狀記憶合金材料具有形狀記憶效應的基本合金系有10種以上，但實用化的只有Ti-Ni系、銅系、鐵系合金三大類168三、常用形狀記憶合金材料具有形狀記憶效應的基本合金系有10種TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合金材料1.Ti-Ni形狀記憶合金記憶效應優(yōu)良強度高、塑性大耐腐蝕性好、穩(wěn)定性好抗疲勞，耐磨損生物相容性好但制造過程較復雜、價格高昂169TiNi合金是目前形狀記憶合金中研究最全面、記憶性能最好的合——具有形狀記憶效應的NiTi合金的成分就在近等原子比的范圍內(nèi)。（1）Ti-Ni記憶合金的基本相和相變170——具有形狀記憶效應的NiTi合金的成分就在近等原子比的范圍屬于體心立方晶體CsCl結構的母相2結構是棱面體點陣的R相（適當?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件下出現(xiàn)）屬于單斜晶體的馬氏體結構基本相——TiNi相注意：實用成分的TiNi合金在固溶處理后，如果隨后的冷卻不夠快，就會產(chǎn)生Ti2Ni和TiNi3——由于這兩種相不具有可逆性，因而破壞了形狀記憶效果，需要盡量避免該類相的產(chǎn)生。171屬于體心立方晶體CsCl結構的母相2基本相——TiNi相注Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應的兩種相變過程母相?馬氏體：記憶效應由單一相變貢獻母相?R相?馬氏體（加鐵、時效）：記憶效應由兩個相變階段貢獻依成分和預處理條件的不同：——R相變和M相變均為形狀記憶的來源。172Ti-Ni合金呈現(xiàn)記憶效應的兩種相變過程母相?馬氏體：記NiTi合金相變過程的電阻-溫度曲線173NiTi合金相變過程的電阻-溫度曲線47（2）影響相變溫度的因素成分：最敏感因素之一，Ni含量每增加0.1%，相變溫度降低10℃第三元素：Fe、Al、Cr、Co、Mn、V、Nb、Ce等可降低Ms；Au、Pt、Pd、Zr等可升高Ms雜質元素：C、H、O等降低Ms時效溫度、時效時間明顯影響相變溫度174（2）影響相變溫度的因素成分：最敏感因素之一，Ni含量每增加（3）合金制備由高純電解鎳與海綿鈦作原料，采用高頻感應爐與自耗爐（電弧熔煉法）或等離子體與電弧熔煉法獲得了TiNi合金鑄錠隨后，在700~800℃進行熱加工，包括模鍛、擠壓及軋制絲狀產(chǎn)品可通過冷拔，每次加工率小于20%——為消除加工硬化，冷加工期間可在700~800℃進行多次退火。175（3）合金制備由高純電解鎳與海綿鈦作原料，采用高頻感應爐與自為把形狀記憶合金用做元件，需使它記住給定形狀，為此要進行一定的熱處理：形狀記憶處理（4）形狀記憶處理——形狀記憶處理是實現(xiàn)合金形狀記憶功能方面不可或缺、至關重要的一環(huán)。176為把形狀記憶合金用做元件，需使它記住給定形狀，為此要進行一定1）單程形狀記憶處理中溫處理：——此方法由于工藝簡單而被廣泛采用。將加工后的合金材料在室溫加工成所需要的形狀并加以固定隨后在400~500℃保溫幾分鐘到幾小時以記憶其形狀再空冷1771）單程形狀記憶處理中溫處理：——此方法由于工藝簡單而被廣泛低溫處理（用于冷加工后成形困難的材料）：——此種在較低溫度處理的記憶元件其形狀恢復特性較差?？梢栽?00℃以上進行高溫退火然后在室溫下成形成給定形狀隨后于200~300℃保溫幾分鐘到幾十分鐘以記憶其形狀178低溫處理（用于冷加工后成形困難的材料）：——此種在較低溫度處時效處理（只對Ni含量高于50.5at%的富Ni合金有效）——可以調(diào)節(jié)材料的相變溫度：隨著時效溫度的提高或時效時間的延長，相變溫度Ms相應下降。——可以獲得綜合的記憶性能：此時的時效處理就是定形記憶過程。在800~1000℃溫度下固溶處理后進行淬火然后在400~500℃時效處理幾小時179時效處理（只對Ni含量高于50.5at%的富Ni合金有效）—2）雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的應力場或晶體缺陷相變時，馬氏體容易在這種缺陷處形核，同時發(fā)生擇優(yōu)生長1802）雙程記憶處理合金具有雙程記憶效應是因為合金中存在方向性的首先經(jīng)單程記憶處理獲得單程記憶效應，此時僅可記憶高溫相的形狀隨后在低于Ms溫度，根據(jù)需要的形狀進行一定限度的可恢復變形（變形量應大于10%）然后加熱到Af以上，試樣恢復到高溫態(tài)形狀再降溫到Ms以下，再變形試件使之成為低溫所需要的形狀如此反復多次以后，就可獲得雙向記憶效應記憶訓練（又稱鍛煉）181首先經(jīng)單程記憶處理獲得單程記憶效應，此時僅可記憶高溫相的形狀3）全程記憶處理全程記憶效應是由于與基體共格的Ti11Ni14析出相產(chǎn)生的某種固定的內(nèi)應力所導致應力場控制了R相變和馬氏體可逆相變的路徑，使馬氏體相變與逆轉變按固定“路徑”進行——因此全程記憶處理的關鍵是限制性時效，必須根據(jù)需要選擇合適的約束時效工藝。1823）全程記憶處理全程記憶效應是由于與基體共格的Ti11Ni1——時效時間越長，自發(fā)形變就越難以發(fā)生。183——時效時間越長，自發(fā)形變就越難以發(fā)生。57銅基合金制造加工容易，價格僅為TiNi合金的1/10，研究最多的是CuAlNi合金和CuZnAl合金2.Cu基形狀記憶合金——因此，在性能要求不高、反復使用次數(shù)少，特別是要求降低成本的情況下使用Cu基合金。但銅基合金的記憶性能、耐蝕性能、力學性能等比TiNi合金差其母相均為體心立方結構，特稱之為相合金銅基合金只有熱彈性馬氏體相變，比較單純184銅基合金制造加工容易，價格僅為TiNi合金的1/10，研究最銅基合金的形狀記憶效應明顯低于Ti-Ni合金，形狀記憶穩(wěn)定性差，表現(xiàn)出記憶性能衰退現(xiàn)象這種衰退可能是由于馬氏體轉變過程中產(chǎn)生范性協(xié)調(diào)和局部馬氏體變體產(chǎn)生“穩(wěn)定化”所致逆相變加熱溫度越高、所加載荷越大，衰退速率越快Cu基形狀記憶合金記憶性能衰退現(xiàn)象185銅基合金的形狀記憶效應明顯低于Ti-Ni合金，形狀記憶穩(wěn)定性加入適量稀土和Ti、Mn、V、B等元素（細化晶粒，提高滑移形變抗力）微晶銅基形狀記憶合金（采用粉末冶金和快速凝固法等）改善銅基合金的循環(huán)特性方法186加入適量稀土和Ti、Mn、V、B等元素（細化晶粒，提高滑移形合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復應變最大8%最大4%恢復應力最大400MPa最大200MPa循環(huán)壽命105（

=0.02）107（

=0.005）102（

=0.02）103（

=0.005）耐蝕性良好不良，有應力腐蝕破壞加工性不良不太好記憶處理較易相當難TiNi合金與CuZnAl合金性能對比187合金類型TiNi合金CuZnAl合金恢復應變最大8%最大4%鐵基形狀記憶合金發(fā)展較晚，早期的FePt和FePd合金由于價格昂貴未能得到應用1982年，有關Fe-Mn-Si記憶合金的研究論文的發(fā)表，引起了材料研究工作者極大興趣，目前主要有Fe-Mn-Si、Fe-Ni-Co-Ti等合金近年來，對鐵基形狀記憶合金的研究主要集中在以Fe-Mn-Si合金上3.鐵基形狀記憶合金188鐵基形狀記憶合金發(fā)展較晚，早期的FePt和FePd合金由于價——Fe-Mn-Si等鐵基形狀記憶合金的結構是無序的，并不呈現(xiàn)熱彈性馬氏體相變的特征。與TiNi合金和銅基合金相比，F(xiàn)e基合金價格低、加工性能好、力學強度高但其形狀記憶效應不是很好：Fe-Ni-Co-Ti合金，預變形超過2%后形狀記憶效應下降到40%以下189——Fe-Mn-Si等鐵基形狀記憶合金的結構是無序的，并不呈4.形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金并不是無論承受怎樣的變形只要受熱就都可以回到原狀，有時可殘留永久變形為了保持良好的形狀記憶特性，有必要使變形應變量不超過一定值適宜的應變量決定于熱處理、循環(huán)使用次數(shù)、載荷、元件的形狀和尺寸等許多因素：當循環(huán)使用次數(shù)少時，TiNi合金變形量約為6%，CuZnAl合金約為2%當循環(huán)使用次數(shù)多時分別低于2%和0.5%1904.形狀記憶合金使用中的問題形狀記憶合金并不是無論承受怎形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達到比Af點高很多的溫度線圈過熱，相變引起的形狀恢復應力超過絲材本身的屈服應力與變形應變過大時的情況相同，合金的形狀記憶特性變壞191形狀記憶合金要避免過熱，即在形狀記憶合金受約束狀態(tài)下，不要達合金長時間置于高溫時，會產(chǎn)生不完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，不能回到正確的原始形狀——即記憶力減退。當TiNi合金和CuZnAl合金分別長時間置于250℃和90℃以上的溫度時不管載荷大小如何，都出現(xiàn)不良影響192合金長時間置于高溫時，會產(chǎn)生不完全記住該溫度下形狀的現(xiàn)象，不四、形狀記憶合金的應用1.工業(yè)應用（1）連接件和緊固件在密閉的中空結構件中，很難進行緊固操作形狀記憶緊固鉚釘依靠三維形狀恢復可以進行這種操作193四、形狀記憶合金的應用1.工業(yè)應用（1）連接件和緊固件在密Af點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，用尾部形狀記憶處理成開口形狀在進行緊固操作前，把緊固鉚釘浸泡在干冰或液態(tài)空氣中進行充分冷卻然后把尾部拉直，插入被緊固孔經(jīng)過一段時間，溫度回升到室溫，產(chǎn)生形狀恢復——鉚釘尾部叉開，把物體固緊194Af點低于室溫的合金用來制造緊固鉚釘，用尾部形狀記憶處理成開19569采用相變點比室穩(wěn)低得多、約150℃的TiNiFe合金做管接頭，把內(nèi)徑加工成比被接管徑約小4%連接操作時，先把管接頭浸泡在液態(tài)氮氣中，在低溫保溫狀態(tài)下把錐形芯模壓入管接頭內(nèi)壁——使內(nèi)徑擴大約7~8%。擴徑后的管接頭用保溫材料保持低溫，把被接管從管接頭兩側插入去掉保溫材料，管接頭溫度上升到室溫，內(nèi)徑恢復到擴徑前狀態(tài)，牢牢箍緊被接管196采用相變點比室穩(wěn)低得多、約150℃的TiNiFe合金做管接形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)點夾緊力大，接觸密封可靠，避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷適于不易焊接的接頭——如：嚴禁明火的管道連接、海底輸油管道修補、金屬與塑料等不同材料的連接等。由于不需要熔焊那樣的高溫高熱，故不會損害周圍材料安裝時不需要熟練的技術，連接件在低溫下易拆卸，便于進行檢修197形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)點夾緊力大，接觸密封可靠，避形狀記憶合金管接頭198形狀記憶合金管接頭72——這種管接頭在F-14戰(zhàn)斗機上使用了10萬多個，至今未發(fā)生漏油或破損、脫落等事故。F-14戰(zhàn)斗機199——這種管接頭在F-14戰(zhàn)斗機上使用了10萬多個，至今未發(fā)生這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可應用150mm大口徑管接頭在海底輸油管道的修補工程上得到應用200這類管接頭在核潛艇的管路連接上也可應用74（2）航天領域天線用NiTi合金制做人造衛(wèi)星天線201（2）航天領域天線用NiTi合金制做人造衛(wèi)星天線75宇航天線可由TiNi合金絲制成，將天線冷至低溫，使其轉變?yōu)轳R氏體TiNi合金的馬氏體硬度較低，將TiNi合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條，收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)衛(wèi)星進入軌道后，團狀天線被彈出，在陽光照射下，溫度升高到As以上，團狀天線自動張開，恢復到原來的形狀溫度升高到Af溫度以上則完全恢復到原來的形狀，向宇宙空間撐開202宇航天線可由TiNi合金絲制成，將天線冷至低溫，使其轉變?yōu)轳R1969年7月20日，阿波羅11號登月艙在月球著陸——所用的直徑數(shù)米大的天線就是用當時剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。2031969年7月20日，阿波羅11號登月艙在月球著陸——所用的（3）智能結構形狀記憶合金可制成驅動器、控制器等應用在智能機器人中形狀記憶控制器能使機器人微型化同傳統(tǒng)伺服控制機構相比，一個形狀記憶元件就可同時起到傳感、驅動和傳遞三系統(tǒng)功能的作用204（3）智能結構形狀記憶合金可制成驅動器、控制器等應用在智能機靠形狀記憶合金動作的微型機器人結構圖（具有相當于肩、肘、腕、指等的5維自由度的微型機器人試制品）205靠形狀記憶合金動作的微型機器人結構圖79（4）能量轉換熱機形狀記憶合金能撐起自重100倍以上的重量馬達的驅動力可達自重的50倍而螞蟻和人則分別是20倍和2倍206（4）能量轉換熱機形狀記憶合金能撐起自重100倍以上的重量820781在Af點以下溫度把重W的重物掛在形狀記憶絲上，絲材伸長到絲材屈服力和重物重力達到平衡然后把絲材加熱到Af點以上，溫度上升使合金產(chǎn)生形狀恢復，形狀恢復力大于重物重力——絲材在保留彈性應變的狀態(tài)下收縮L，提起重物做了WgL的功。重物被提上去后降低溫度使絲材伸長再升高溫度把重物提上去，實現(xiàn)熱機循環(huán)208在Af點以下溫度把重W的重物掛在形狀記憶絲上，絲材伸長到絲材1973年，美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用冷熱水的溫差使NiTi形狀記憶元件伸縮，并伴隨極大的應力，使輪子轉動，實現(xiàn)熱能與機械能之間的轉換2091973年，美國試制成第一臺Ti-Ni熱機，利用冷熱水的溫差其裝置是一個水平放置的輪子，輪輻是偏心結構，每根輪輻上掛有用Ti-Ni合金制成的U形環(huán)輪子下的水槽制成兩個半圓，分別裝入冷熱水當U型環(huán)進入熱水槽時，就突然伸直，產(chǎn)生彈力——這種彈力有一部分沿輪子的切線作用，推動輪子旋轉。當輪輻轉入冷水槽內(nèi)時，伸直的合金絲又恢復彎曲形狀210其裝置是